relativitetsprinsippet

Den første kjente formuleringen av fysikkens relativitetsprinsipp kom fra Galilei. Han skrev at en person som befinner seg under dekk i en båt som beveger seg med jevn fart, ikke vil merke noe til bevegelsen ved å gjøre mekaniske målinger og observasjoner. Galilei konkluderte med at de mekaniske lovene er de samme for alle observatører som beveger seg med jevn hastighet. Det er naturlig å kalle dette for Galileis relativitetsprinsipp. Det dreier seg kun om mekaniske fenomener.

Den skotske fysikeren James Clerk Maxwell formulerte den gjeldende teori for elektromagnetiske fenomener i 1860-årene. Ifølge denne teorien er lys elektromagnetiske bølger. På slutten av 1900-tallet ble det oppdaget at Galieis relativitetsprinsipp ikke gjelder for lys. Man regnets med at lysbølgene brer seg i en eter som definerte en tilstand av absolutt ro. Ifølge Galileis bevegelseslære og Maxwell teori var naturlovene forskjellige i et laboratorium i ro i eteren og et som beveger seg gjennom eteren.

I 1887 ble det gjort et eksperiment – Michelson-Morley eksperimentet – for å måle jordas fart gjennom eteren. Man fant ingen fart.

I 1905 presenterte Einstein en ny bevegelseslære – den spesielle relativitetsteorien. Ifølge den eksisterer ingen eter. I denne teorien ble relativitetsprinsippet utvidet til å omfatte alle typer fysiske fenomener, også elektromagnetiske og optiske. Men fortsatt var prinsippet begrenset til å gjelde for bevegelse med konstant fart langs en rett linje. Derfor ble det kalt det spesielle relativitetsprinsippet. Ifølge dette prinsippet er det ikke mulig ved å gjøre eksperimenter i et lukket laboratorium å bestemme laboratoriets hastighet. Absolutt hastighet eksisterer ikke, bare relative hastigheter, dvs. hastigheten av ett legeme i forhold til et annet.

I 1915 presenterte Einstein den generelle relativitetsteorien. Avsnitt 2 i artikkelen har overskriften: Nødvendigheten av å utvide relativitetsprinsippet. Med utgangspunkt i tanken om at det ikke er mulig å bestemme bevegelsen til en partikkel alene i universet, ønsket Einstein å presentere en teori som tillot alle typer bevegelse, også akselerert og roterende bevegelse, å være relativ. Han utvidet relativitetsprinsippet til alle former for bevegelse og sa at naturlovene må være de samme med referanse til et laboratorium med hvilken som helst bevegelse. Dette kalles det generelle relativitetsprinsippet.

For å forstå betydningen av dette kan vi se på rotasjonsbevegelse.

La oss betrakte jorda som et eksempel. Det er vanlig å si at jorda roterer. At jorda har større radius ut til ekvator enn i retning av polene forklares som et resultat av sentrifugalkrefter på grunn av jordrotasjonen, og Corioliskreftene som er så viktige for dannelsen av lavtrykk og sykloner, skyldes jordrotasjonen.

Dersom relativitetsprinsippet skal være gyldig for rotasjonsbevegelse, må slike effekter kunne forklares fra det synspunktet at jorda er i ro mens universet roterer rundt oss. Dette er ikke mulig i Newtons gravitasjonsteori. Ifølge Newtons gravitasjonsteori har rotasjonsbevegelse en absolutt karakter.

Men i Einsteins teori finnes en effekt som åpner for at også rotasjonsbevegelse kan være relativ: treg draeffekt. Det er at et roterende legeme drar rommet med seg slik at det får rotasjon i samme retning som et roterende legeme. Dette er en relativistisk gravitasjonseffekt som ikke eksisterer i Newtons teori.

Hvis hele universet roterer, kan den trege draeffekten være sterk. Dersom den er så sterk at den kosmiske romelven roterer sammen med universet langt fra legemer, noe som kalles perfekt treg draeffekt, kan relativitetstprinsippet være oppfylt i vårt univers.

Tenkt deg at du står på Nordpolen med en pendel og et teleskop. Da vil du observere at svingeplanet til pendelen roterer en gang i døgnet. Når du retter teleskopet mot himmelen vil du observere at stjernehimmelen også roterer en gang i døgnet. Svingeplanet til pendelen roterer sammen med stjernehimmelen.

Er dette et forbløffende sammentreff? Newtons teori sier nei. Det bare viser at jorda roterer og at verken pendelens svingeplan eller universet roterer. Rotasjon er absolutt. Einsteins teori sier at følgende beskrivelse av situasjonen er tillatt: Jorda er i ro og universet roterer. På grunn av den perfekte trege draeffekten i vårt univers drar universets masse med seg romelven med samme fart som universets masse og energi. Som omtalt ovenfor roterer pendelens svingeplan sammen med romelven. Følgelig roterer pendelens svingeplan sammen med stjernehimmelen.

Ifølge Einsteins teori kan man altså ikke bruke slike fenomener som sentrifugalkraft, Corioliskraft og bevegelsen av et treghetskompass til å avgjøre om jorda roterer eller ikke. De kan også oppfattes som virkninger av den trege draeffekten som skyldes en roterende kosmisk masse. Dette er et argument for at rotasjonsbevegelse er relativ ifølge Einsteins teori.

En innvending som ofte reises mot muligheten av en beskrivelse der jorda er i ro og stjernehimmelen roterer, er at stjernene er langt borte, så for å bevege seg én gang rundt jorda i løpet av et døgn må de bevege seg raskere enn lyset, og det er forbudt ifølge relativitetsteorien. Relativitetsteorien imøtegår denne innvendingen på en interessant måte. Det som er umulig ifølge relativitetsteorien, er å akselerere et legeme gjennom lyshastighetsbarrieren fra underlyshastighet til overlyshastighet. Vi kjenner bare til legemer som beveger seg langsommere enn lyset. Kanskje eksisterer bare slike legemer. Det er viktig å merke seg at alt som er sagt i dette avsnittet, dreier seg om bevegelse gjennom rommet. Vi kjenner bare til materie som beveger seg gjennom rommet med underlyshastighet.

Men relativitetsteorien tillater at selve rommet beveger seg med overlyshastighet. I universet gjelder Hubbles lov: Våre observasjoner tyder på at rommets ekspansjonshastighet er proporsjonal med avstanden fra observatøren. I stor nok avstand fra en observatør ekspanderer rommet med overlyshastighet. Det samme gjelder for et roterende rom: Relativitetsteorien tillater at rommet rotererer med overlyshastighet.

I et univers med perfekt draeffekt roterer rommet sammen med stjernene. Så når vi observerer at stjernene roterer rundt jorda en gang i døgnet, er det ikke en bevegelse av stjernene gjennom rommet vi observerer, men rommets rotasjon, og den har ingen hastighetsbegrensninger.

Det må gjøres oppmerksom på at denne konklusjonen fortsatt debatteres av fysikerne. Det er foreløpig ikke allmenn enighet om at det generelle relativitetsprinsippet er inneholdt i relativitetsteorien.

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg